DE19800410B4 - linear motor - Google Patents

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Abstract

Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator (4) bildenden, an einem Fahrzeug (1) befestigten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf einer Fahrbahn (2) angeordneten Statoren (3) einen Luftspalt (6) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator (4) am Fahrzeug (1) über ein Feder/Dämpfer-System (5) befestigt ist, das so ausgelegt ist, dass bei Nennbetrieb die Normalkräfte des Linearmotors den Translator (4) gegenüber dem Stator (3) so weit auslenken, dass sich der gewünschte mittlere Nennluftspalt (6) einstellt, und dass das nunmehr instabile mechanische System durch eine Regelung stabilisiert wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Luftspalt (6) einen speisenden Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, dass über die Ströme des Stators (3) die Luftspaltinduktion derart verändert wird, dass die Normalkräfte den Translator (4) in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator (3) halten, wobei durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Stators...Single-sided linear motor of asynchronous or synchronous design for vehicle drives, with an exciter or reaction part which forms the translator (4) and is attached to a vehicle (1) and which has an air gap (1) with one or more stators (3) arranged on a roadway (2). 6), characterized in that the translator (4) is attached to the vehicle (1) by means of a spring / damper system (5) which is designed such that, during rated operation, the normal forces of the linear motor make the translator (4) opposite the Deflect the stator (3) to such an extent that the desired mean nominal air gap (6) is established and that the now unstable mechanical system is stabilized by a control system which, depending on the air gap (6) measured in each case, feeds a converter with regard to voltage amplitude and phase position regulates the current in such a way that the air gap induction is changed via the currents of the stator (3) in such a way that the normal forces the translator (4) in de m keep the desired constant distance from the stator (3), whereby the regulation via the reactive current component of the stator ...

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Description

Die Erfindung betrifft einen einseitigen Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator bildenden, an einem Fahrzeug befestigten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf einer Fahrbahn angeordneten Statoren einen Luftspalt einschließt.The invention relates to a one-sided Linear motor of asynchronous or synchronous design for vehicle drives, with one exciter forming the translator and attached to a vehicle or reaction part that with one or more on a lane arranged stators includes an air gap.

Ein derartiger Linearmotor asynchroner Bauart für Fahrzeugantriebe ist aus der DE 25 06 388 A1 bekannt. Das Reaktionsteil ist hier vorzugsweise nicht über Federelemente sondern beispielsweise über eine Schubstangenführung am Boden des Fahrzeugs angeordnet und ist dabei in Richtung der Normalen sowohl durch zwischen beiden Motorteilen wirkende magnetische Kräfte als auch durch zusätzliche fahrzeugseitig erzeugte pneumatische und/oder magnetische Kräfte in definierter Weise bewegbar. Hierdurch soll die Spaltweite des genannten Luftspaltes gegenüber vorbekannten Lösungsvorschlägen verringert werden.Such a linear motor asynchronous design for vehicle drives is from the DE 25 06 388 A1 known. The reaction part here is preferably not arranged via spring elements but, for example, via a push rod guide on the floor of the vehicle and can be moved in a defined manner in the direction of the normal both by magnetic forces acting between the two motor parts and by additional pneumatic and / or magnetic forces generated on the vehicle side. This is intended to reduce the gap width of the air gap mentioned compared to previously proposed solutions.

Die EP 0 469 511 A2 zeigt in 3 eine ähnliche Anordnung, aber mit geregeltem Luftspalt, wobei das am Fahrzeug befestigte Teil durch Aktuatoren gegenüber dem Fahrzeugchassis lotrecht verstellbar ist. In dem für diese Verstel lung vorgesehenen Regelkreis werden z.B. die Geschwindigkeit und das Gewicht des Fahrzeugs berücksichtigt.The EP 0 469 511 A2 shows in 3 a similar arrangement, but with a controlled air gap, the part attached to the vehicle being vertically adjustable relative to the vehicle chassis by actuators. For example, the speed and weight of the vehicle are taken into account in the control loop provided for this adjustment.

In der ETZ-A, 1972, Heft 1, Seiten 1 bis 7 werden bei einem asynchronen Linearmotor die Kraftwirkungen orthogonal zur Bewegungsrichtung untersucht. Danach treten die auf die magnetische Induktion zurückzuführenden Kräfte nur bei einseitigen Linearmotoren auf und sind dem Quadrat der Normalkomponente der Induktion proportional und wirken anziehend. Auch im Falle des Betriebes mit konstanter Spannung vergrößern sich die Kräfte mit kleiner werdendem Abstand und umgekehrt. Zur Größenabschätzung der im Innenbereich erzeugten Stromkräfte dient in diesem vorveröffentlichten Aufsatz eine Grenzwertbetrachtung.In the ETZ-A, 1972, volume 1, pages For an asynchronous linear motor, the force effects are 1 to 7 examined orthogonal to the direction of movement. Then they appear the magnetic induction personnel only with one-sided linear motors and are the square of the normal component proportional to induction and attractive. Even in the case of Operation with constant voltage, the forces increase with less increasing distance and vice versa. Used to estimate the size of the current forces generated in the interior in this pre-published Essay a limit consideration.

In der DE 197 34 357 A1 ist ein Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt beschrieben, bei der eine Luftspaltregeleinrichtung den Luftspalt-Istwert mit dem Luftspalt-Sollwert vergleicht und ein Korrektursignal erzeugt, welches parallel zum Regler für die Fahrzeuggeschwindigkeit direkt auf die feldorientierte Stromvektorregelung für die Linearmotoren einwirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase verstellen kann. Die Pollage der elektronisch kommutierten Synchronmotoren wird durch Hallsensoren erfasst und der Motor wird so kommutiert, dass der Lastwinkel sich immer nah bei 90 Grad bewegt. Eine kleine Änderung des Kommutierungswinkels um die 90 Grad herum hat nur eine sehr kleine Änderung der Vorschubkraft, aber eine relativ große Änderung der Anziehungskraft zur Folge.In the DE 197 34 357 A1 describes a linear drive with a controlled air gap, in which an air gap control device compares the actual air gap value with the target air gap value and generates a correction signal which, in parallel with the controller for the vehicle speed, acts directly on the field-oriented current vector control for the linear motors and the stator current vector according to amount and phase can adjust. The pole position of the electronically commutated synchronous motors is detected by Hall sensors and the motor is commutated in such a way that the load angle always moves close to 90 degrees. A small change in the commutation angle around 90 degrees results in only a very small change in the feed force, but a relatively large change in the attraction force.

Linearmotore werden heute für viele Anwendungen als Stell-, Positionier- und Fahrantriebe eingesetzt. Da normalerweise kein Getriebe verwendet wird, fallen sie unter die Kategorie der Direktantriebe, wobei neben dem elektromagnetischen Wirkprinzip (Asynchron, Synchron) auch nach konstruktiven Varianten, wie einseitig oder zweiseitiger Ausführung, zu unterscheiden ist.Linear motors are used for many today Applications used as actuators, positioning and travel drives. Since no gear is normally used, they fall under the category of direct drives, whereby in addition to the electromagnetic Operating principle (asynchronous, synchronous) also according to design variants, how to distinguish between one-sided and two-sided versions.

Besonders bei Fahrzeugantrieben ist die einseitige Ausführung sehr kostengünstig, nachteilig sind jedoch die Maxwellschen Normalkräfte, die zwischen Translator und Stator auftreten und beispielsweise über das Tragsystem des Fahrzeugs (Räder, Rahmen) abgestützt werden müssen. Bei Anwendungen in der Magnetschwebetechnik können diese Normalkräfte genutzt werden, um die Gewichtskraft des Fahrzeuges zu kompensieren.Especially with vehicle drives the one-sided execution very inexpensive, however, the Maxwell normal forces between the translator are disadvantageous and stator occur and for example via the vehicle's support system (Wheels, frame) supported Need to become. In normal magnetic levitation applications, these normal forces can be used to compensate for the weight of the vehicle.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus den mechanisch realisierbaren Luftspalten zwischen Stator und Translator. Aus magnetischen Gründen möchte man diesen Spalt möglichst klein ausführen, um zu einer kostengünstigen Bemessung des Erregersystems zu kommen. Dem stehen bei einseitigen Maschinen die Verformungen von Translator und Stator (Fahrbahn) infolge der Normalkräfte und der Gewichtskräfte des Fahrzeuges entgegen. Zusätzliche toleranzmaßerhöhende Effekte sind Setzungen und bleibende Verformungen der Fahrbahn infolge des Eigengewichts des Fahrzeugs und Bewegungen des Untergrundes. Insbesondere bei schweren Fahrzeugen, wie sie beispielsweise im Bahnbereich und beim Güterumschlag benutzt werden, dominieren letztere Effekte, was entsprechend große magnetische Spalte zwischen Stator und Translator (δ > 1 cm) erfordert.Another problem arises from the mechanically realizable air gaps between the stator and Translator. For magnetic reasons one would like this gap if possible run small, in order to become an inexpensive Dimensioning of the excitation system to come. That is one-sided Machines the deformation of translator and stator (roadway) due to normal forces and the weight forces of the vehicle. Additional tolerance-increasing effects are subsidence and permanent deformations of the road surface due to their own weight of the vehicle and movements of the surface. Especially at heavy vehicles, such as those used in the railway sector and when handling goods are used, the latter effects dominate, which is correspondingly large magnetic Gap between stator and translator (δ> 1 cm) required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für spurgeführte Radfahrzeuge einen Linearmotorantrieb zu schaffen, der kleinere Luftspalte zwischen Stator und Translator zulässt.The invention has for its object, in particular for track-guided wheel vehicles to create a linear motor drive that has smaller air gaps between Allows stator and translator.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Linearmotor wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Translator am Fahrzeug über ein Feder/Dämpfer-System befestigt ist, das so ausgelegt ist, dass bei Nennbetrieb die Normalkräfte des Linearmotors den Translator gegenüber dem Stator so weit auslenken, dass sich der gewünschte mittlere Nennluftspalt einstellt, und dass das nunmehr instabile mechanische System durch eine Regelung stabilisiert wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Luftspalt einen speisenden Um richter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, dass über die Sträme des Stators die Luftspaltinduktion derart verändert wird, dass die Normalkräfte den Translator in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator halten, wobei durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Stators nur die Luftspaltinduktionskomponente in der d-Achse des Linearmotors beeinflusst wird.Starting from the linear motor described at the outset, this object is achieved according to the invention in that the translator is attached to the vehicle by means of a spring / damper system which is designed in such a way that during normal operation the normal forces of the linear motor deflect the translator relative to the stator to such an extent that the desired mean nominal air gap is established and that the now unstable mechanical system is stabilized by a control system which, depending on the air gap measured in each case, regulates a feeding converter with regard to the voltage amplitude and phase position of the current in such a way that the air gap induction via the currents of the stator is changed so that the normal forces keep the translator at the desired constant distance from the stator, with the control via the blind current component of the stator only the air gap induction component in the d-axis of the linear motor is influenced.

Die vortriebskraftbildende Komponente der Induktion Bq in der q-Achse wird dabei auf einen konstanten Betrag geregelt, so dass die Vortriebskraft durch die Regelung des Luftspaltes nicht beeinträchtigt wird.The driving force-forming component of induction B q in the q axis is regulated to a constant amount, so that the driving force is not impaired by the regulation of the air gap.

Erfindungsgemäß folgt eine automatische Anpassung an die Verformungen von Fahrzeug und Fahrbahn, so dass sich kleinere Luftspalte zwischen Stator und Translator ausführen lassen.According to the invention, an automatic adjustment follows to the deformations of the vehicle and the road, so that smaller ones Have air gaps between stator and translator.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu folgenden weiteren Vorteilen:The training according to the invention leads to the following further advantages:

  • – Die erforderlichen Regelströme sind klein wegen des quadratischen Zusammenhanges zwischen Induktion und Normalkraft.- The required control currents are small because of the quadratic relationship between induction and normal force.
  • – Im zeitlichen Mittel sind die Regelströme Null.- In the the control currents are zero over time.
  • – Da nur die Blindkomponente des Stators beeinflusst wird, bleibt die Vortriebskraft unverändert.- There only the blind component of the stator is affected, remains the Driving force unchanged.
  • – Der Erregeraufwand reduziert sich deutlich, was bei Dauermagneterregung zu erheblichen Investitionskosteneinsparungen und bei elektrischer Erregung zu erheblichen Energiekosteneinsparungen führt.- The Excitation effort is significantly reduced, what with permanent magnet excitation to significant investment cost savings and electrical Excitation leads to significant energy cost savings.
  • – Der kleinere Luftspalt gestattet die Wahl von elektromagnetischen Maschinenkonzepten mit kleineren Polteilungen und deutlich erhöhter Kraftdichte, was wiederum den Bau kleiner und kostengünstiger Statoren ermöglicht. So können nun vorteilhaft Maschinen mit kleinen Polteilungen und höheren Speisefrequenzen eingesetzt werden, die infolge ihrer höheren Kraftdichte mit weniger Aufwand an Material herstellbar wären. Dies könnte beispielsweise eine polyphasige perma nentmagneterregte Maschine sein.- The smaller air gap allows the choice of electromagnetic machine concepts with smaller pole pitches and significantly increased power density, which in turn building smaller and cheaper Stators. So now advantageous machines with small pole pitches and higher feed frequencies be used with less due to their higher force density Cost of material could be produced. For example, this could be a polyphase permanent magnet excited machine.
  • – Die Auslegung des Feder-Dämpfersystems kann so bemessen werden, daß bei Ausfall der Regelung der Translator in eine sichere Position (maximaler Luftspalt) gezogen wird (fail safe – Verhalten).- The Can design the spring damper system be dimensioned so that at Failure of the control of the translator in a safe position (maximum Air gap) is pulled (fail safe behavior).

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing is one as an example serving embodiment presented the invention. Show it:

1 In schematischer Darstellung ein mit einem Linearmotor ausgerüstetes Fahrzeug und 1 In a schematic representation, a vehicle equipped with a linear motor and

2 ein Zeigerdiagramm zur Darstellung der Regelung eines Umrichters. 2 a vector diagram to illustrate the control of a converter.

1 zeigt ein Fahrzeug 1, das sich auf einer Fahrbahn 2 abstützt, auf der ein oder mehrere Statoren 3 angeordnet sind. An dem Fahrzeug 1 ist ein den Translator 4 bildendes Erreger- bzw. Reaktionsteil befestigt, und zwar erfindungsgemäß über ein Feder/Dämpfer-System 5, das eine Auslenkung des Translators 4 gegenüber dem Stator 3 ermöglicht, die zwischen sich einen Luftspalt 6 einschließen. 1 shows a vehicle 1 that is on a roadway 2 is supported on the one or more stators 3 are arranged. On the vehicle 1 is a translator 4 forming exciter or reaction part attached, according to the invention via a spring / damper system 5, which deflects the translator 4 towards the stator 3 allows an air gap between them 6 lock in.

2 zeigt beispielsweise einen Regelvorgang, durch den das in 1 dargestellte instabile mechanische System stabilisiert wird. Hierzu wird der Luftspalt 6 gemessen und der speisende Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart geregelt, daß über die Blindstromkomponente Id des Stators 3 die Luftspaltinduktion Bd in der d-Achse der Maschine so verändert wird, daß die Normalkräfte den Translator 4 in dem gewünschten Abstand vom Stator 3 halten. 2 shows for example a control process by which the in 1 shown unstable mechanical system is stabilized. For this, the air gap 6 measured and the feeding converter with respect to voltage amplitude and phase angle of the current controlled such that the reactive current component I d of the stator 3 the air gap induction B d in the d-axis of the machine is changed so that the normal forces the translator 4 at the desired distance from the stator 3 hold.

Im Normalfall möge Id = 0 sein; der Strom besitzt nur die kraftbildende Komponente Iq. Die Luftspaltinduktion Bδ1 setzt sich aus den Komponenten Bd und Bq zusammen. Die Ständerspannung wird aus der Polradspannung Up und dem induktiven Spannungsabfall an der Hauptreaktanz j·Xd·Iq auf gebaut.In the normal case I may be d = 0; the current has only the force-generating component I q . The air gap induction B δ1 is composed of the components B d and B q . The stator voltage is built up from the pole wheel voltage U p and the inductive voltage drop at the main reactance j · X d · I q .

Vergrößert sich nun der Luftspalt, wird der Maschinenstrom mit Hilfe des Wechselrichters nach Betrag und Phasenlage auf Is2 verändert. Die jetzt zusätzlich auftretende Komponente Id hat ein Feld ΔBd zur Folge, was zu einer Erhöhung des Gesamtfeldes auf den Wert Bδ2 und damit zu einer höheren Normalkraft führt, welche die Auslenkung des Translators kompensiert. Hierzu gehört dann das Spannungszeigerdreieck Us2, j·Xd·Is2, Up.If the air gap increases, the machine current is changed to I s2 with the aid of the inverter according to the amount and phase position. The component I d now occurring additionally results in a field ΔB d , which leads to an increase in the overall field to the value B δ2 and thus to a higher normal force which compensates for the deflection of the translator. This then includes the voltage vector triangle U s2 , j · X d · I s2 , U p .

Claims (3)

Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator (4) bildenden, an einem Fahrzeug (1) befestigten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf einer Fahrbahn (2) angeordneten Statoren (3) einen Luftspalt (6) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator (4) am Fahrzeug (1) über ein Feder/Dämpfer-System (5) befestigt ist, das so ausgelegt ist, dass bei Nennbetrieb die Normalkräfte des Linearmotors den Translator (4) gegenüber dem Stator (3) so weit auslenken, dass sich der gewünschte mittlere Nennluftspalt (6) einstellt, und dass das nunmehr instabile mechanische System durch eine Regelung stabilisiert wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Luftspalt (6) einen speisenden Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, dass über die Ströme des Stators (3) die Luftspaltinduktion derart verändert wird, dass die Normalkräfte den Translator (4) in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator (3) halten, wobei durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Stators (3) nur die Luftspaltinduktionskomponente in der d-Achse des Linearmotors beeinflusst wird.Single-sided linear motor of asynchronous or synchronous design for vehicle drives, with a translator ( 4 ) forming on a vehicle ( 1 ) attached excitation or reaction part, which with one or more on a lane ( 2 ) arranged stators ( 3 ) an air gap ( 6 ), characterized in that the translator ( 4 ) at the vehicle ( 1 ) is attached via a spring / damper system (5), which is designed in such a way that the normal forces of the linear motor convert the translator ( 4 ) opposite the stator ( 3 ) deflect so far that the desired average nominal air gap ( 6 ), and that the now unstable mechanical system is stabilized by a control system that is dependent on the air gap measured in each case ( 6 ) regulates a supply converter with regard to the voltage amplitude and phase position of the current in such a way that the stator currents ( 3 ) the air gap induction is changed such that the normal forces the translator ( 4 ) at the desired constant distance from the stator ( 3 ) hold, whereby the regulation via the reactive current component of the stator ( 3 ) only the air gap induction component in the d-axis of the linear motor is influenced. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetisches Maschinenkonzept eine polyphasige permanenterregte Synchronmaschine zum Einsatz kommt.Single-sided linear motor asynchronous or synchronous Design for Vehicle drives according to claim 1, characterized in that as electromagnetic machine concept a polyphase permanent magnet Synchronous machine is used. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder/Dämpfer-System (5) so bemessen ist, dass bei Ausfall der Regelung der Translator (4) in eine sichere Position (maximaler Luftspalt) gezogen wird.Single-sided linear motor asynchronous or syn chronic type for vehicle drives according to claim 1 or 2, characterized in that the spring / damper system ( 5 ) is dimensioned so that if the control fails, the translator ( 4 ) is pulled into a safe position (maximum air gap).
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